在過去的三十年里，鋰離子電池，一種將鋰離子來回移動到充電和放電的可充電電池，使得小型設備的充電速度更快，持續(xù)時間更長。由SLAC的斯坦福材料與能源科學研究所的教員、斯坦福材料科學教授威廉·崔領導的一個國際研究小組今天發(fā)表了這些發(fā)現(xiàn)。天然材料.“以前，它有點像一個黑匣子，”麻省理工學院教授、這項研究的另一位負責人馬丁·巴贊(MartinBazant)說。“你可以看到材料工作得很好，某些添加劑似乎也有幫助，但你不能確切地知道鋰離子在這個過程的每一步都會往哪里走。”你只能嘗試發(fā)展一種理論，并從測量中倒退。有了新的儀器和測量技術，我們開始對這些東西的工作原理有了更嚴格的科學理解。“爆米花效應任何乘坐過電動巴士、使用過電動工具或使用過無繩真空的人，都有可能從他們研究的電池材料中獲益，磷酸鐵鋰。它也可以用于汽車的啟動-停止功能與內燃機和儲存風能和太陽能的電網。更好地理解這種材料和其他類似材料可能會導致更快的充電，更長的壽命和更耐用的電池。但直到最近，研究人員還只能猜測能讓它發(fā)揮作用的機制。當鋰離子電池充放電時，鋰離子從液體溶液中流入固體儲藏室。但是一旦進入固體，鋰就會重新排列，有時導致材料分裂成兩個不同的相，就像油和水混合在一起時分開一樣。這就造成了覺悟所謂的“爆米花效應”。離子聚集在一起，形成熱點，從而縮短電池壽命。

在這項研究中，研究人員使用了兩種X射線技術來探索鋰離子電池的內部工作.在SLAC的斯坦福同步輻射光源(SSRL)上，他們將X射線從磷酸鐵鋰樣品中反射出來，以揭示其原子結構和電子結構，讓他們了解鋰離子在材料中是如何移動的。在伯克利實驗室的高級光源(Als)上，他們使用X射線顯微鏡放大了這個過程，讓他們能夠描繪出鋰的濃度隨時間的變化。上游游以前，研究人員認為磷酸鐵鋰是一種一維導體，這意味著鋰離子只能向一個方向穿過大部分物質，就像鮭魚游向上游一樣。但是，在仔細研究他們的數(shù)據(jù)時，研究人員注意到，鋰在材料表面的運動方向與根據(jù)先前模型預測的方向完全不同。就好像有人把一片葉子扔到溪面上，發(fā)現(xiàn)水流的方向和游鮭魚完全不同。當鋰離子流入電池的固體電極-這里是六角形切片-鋰可以重新排列，導致離子聚集成熱點，從而縮短電池壽命。學分：斯坦福大學/三維圖形他們與英國巴斯大學(UniversityofBath，UK)化學教授賽義夫·伊斯蘭(SaifulIslam)合作，開發(fā)該系統(tǒng)的計算機模型和模擬。這些研究表明，鋰離子在材料表面向另外兩個方向移動，從而使磷酸鐵鋰成為三維導體。“事實證明，這些額外的途徑是有問題的物質，促進爆米花一樣的行為，導致它的失敗，”覺清說。“如果鋰可以在表面移動得更慢，它將使電池更加均勻。這是發(fā)展更高性能和更長壽命電池的關鍵。“電池工程的新前沿-離子電池確實是新的前沿，“他說。“我們已經發(fā)現(xiàn)并開發(fā)了一些最好的散裝材料。我們已經看到鋰離子電池為了跟進這項研究，研究人員將繼續(xù)將建模、仿真和實驗結合起來，試圖用SLAC的Linac相干光源(LCLS)等設備，在許多不同的長度和時間尺度下，了解有關電池性能的基本問題。在LCLS中，研究人員將能夠以每秒數(shù)萬億分之一的速度探測單個離子跳躍。“

來自俄羅斯國家研究核子大學(俄羅斯)的研究人員則在延長鋰電池使用壽命上有了新突破，他們正在研制含鎳-63納米團簇放射性同位素膜的放射性同位素β-伏打電池。其概念是開發(fā)壽命為100年的安全核電池，用于起搏器、微型葡萄糖傳感器、動脈血壓監(jiān)測系統(tǒng)、遙控物體和微型機器人以及能夠長期工作的獨立系統(tǒng)。研究成果發(fā)表在雜志上。應用物理信函.研究人員比以往任何時候都更感興趣的項目，開發(fā)納米技術，以微型化技術設備，主要是納米電子系統(tǒng)。在創(chuàng)造將納米電子學和機械元件結合起來的微機電和納米機電系統(tǒng)方面的最新成就可以使開發(fā)微觀物理、生物或化學傳感器成為可能。然而，微型電池的缺乏為微機電系統(tǒng)和納米機電系統(tǒng)提供動力，阻礙了這類設備的大規(guī)模引進。今天，科學家們正在研究制造微型鋰離子電池、太陽能電池板、燃料電池和各種類型的冷凝器的可能性。然而，這些電池仍然太大，無法開發(fā)真正的微觀和納米系統(tǒng)。另一種為先進的微機電和納米機電系統(tǒng)供電的方法是使用放射性同位素電池。無線電同位素或核或原子電池將元穩(wěn)定元素(原子核)放射性衰變的能量轉化為電能。這些元素的質量和體積都有很高的能量密度。持續(xù)能量排放的持續(xù)時間因核素的選擇而異。靜音無線電同位素電池可以在沒有錯誤或長期維護的情況下工作。鎳-63的獨特性能

熱電轉換被認為是將放射性衰變能量轉化為電能的最方便的方法之一。但科學家們也在研究β-伏打電池及其實際應用。通過在微型電池中安裝一種發(fā)射軟β輻射的無線電同位素，可以保護用戶和附近的物體免受輻射。因此，這種電池將有廣泛的應用。梅菲的研究人員研究了納米團簇鎳膜的電物理性質，并選擇了實驗的最佳參數(shù)，目的是建立一個系統(tǒng)，有效地將鎳-63同位素的β衰變能量轉化為電能。鎳-63同位素是β-伏打過程中最有前途的放射性核素之一。這種軟β輻射發(fā)射器的半衰期很長，為100.1年。因此，這個獨特的元素非常適合為不需要高輸出的各種系統(tǒng)供電。

彈性、相對惰性和易于加工的鎳是一種有效的金屬，就其性能而言.它不必在集裝箱內儲存和運輸。研究人員正試圖提高當前系統(tǒng)的效率，將鎳-63元素的β衰變能量轉化為電能，并尋找替代的物理系統(tǒng)。這種方法很有希望。梅菲的研究人員正在使用新的方法梅菲物理技術計量問題學院的助理教授PyotrBorisyuk說，研究人員已經開發(fā)出一種不尋常的物理系統(tǒng)，可以在納米結構的鎳薄膜中產生二次電子，并大大增強β粒子一連串非彈性碰撞所引起的電流信號。他指出：“相對來說，制作一個實驗系統(tǒng)是相對容易的，該系統(tǒng)由密集填充的鎳納米團簇組成，納米粒子在氧化硅表面的梯度分布，這是一種寬帶介電，取決于它們的大小。”

研究人員報告說，納米顆粒梯度分布的鎳-63納米團簇膜的形成結合了兩個重要的過程。首先，有可能在預定的方向上開發(fā)出由不同納米顆粒尺寸決定的固定電位差的涂層。其次，它將把鎳-63同位素β衰變的能量轉化為電流，而不需要額外的難度來生產半導體系統(tǒng)。新型梯度納米團簇鎳薄膜具有獨特的性能，具有熱電轉換的放射性同位素電源幾乎無限制的應用。微型核電池可用于微機電和納米機電系統(tǒng)、起搏器、微型葡萄糖傳感器和動脈血壓監(jiān)測系統(tǒng)，還可用于控制遠程物體和微型機器人，以及能夠在深海、海底和極北運行很長時間的獨立系統(tǒng)。